特種機器人關節模組設計及輻射防護

蘇康佳，楊芳艷，陳媛媛

（1.200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院；2.200093 上海市 上海理工大學 機器智能研究院；3.200433 上海市 海軍軍醫大學）

0 引言

目前，隨著各國核能技術水平的不斷提升和公眾對核安全的高度關注，核設施的日常檢修、輻射監測以及核事故的應急救援等復雜操作，引入機器人技術代替人工已經成為全球核事業發展的熱點[1]。核輻射環境不同于常規環境，核設施在運行過程中會釋放一些輻射粒子，主要是γ射線[2]，容易導致關節模組中電子元器件失靈、電纜絕緣破裂、軸承潤滑失效等危害[3]。蘇聯切爾諾貝利核電站事故后，各國派去現場的救援機器人，部分由于本身耐輻射防護級別較低，剛進入事故場地就失去了運動能力[4]；2011 年日本福島核電站事故后，救援隊派出Quince 機器人進行探測工作，但因其電機驅動器外置于關節模組，輻射劑量超過其耐受能力而停止工作，任務被迫終止[5]。因此，提高特種機器人關節模組輻射能力是亟需解決的問題。

關節模組作為機器人系統中一個高度集成的機電一體化伺服裝置，無需考慮復雜的關節連接和動力集成，同時也省去一系列繁瑣的設計、安裝和測試大量分散的組件，但設計者往往為了追求良好的機械性能而放棄復雜環境下的生存能力，導致無法在核環境下工作。目前國內外對輻射環境下的關節模組研究并不多，但對其構成部件耐輻射性能研究已有很大成果。采用中空設計的模塊化關節模組，如Kinova 等具有很好的機械性能，被廣泛應用于巡檢機器人上，但其耐輻射性能很低[6]；Nakamichi 等[7]將關節模組中線纜、絕緣漆、潤滑劑等更換為耐輻射性能高的新型材料，提升了關節模組中電機部件耐輻射能力，但沒有設計相應的耐輻射驅動器；華東理工大學承壓系統重點實驗室以關節模組中電機驅動器為研究對象，通過篩選耐輻射電子器件，增加屏蔽體來提高耐輻射能力[8]。這些研究大都體現關節模組各個部件上，缺少一種集成的一體化耐輻射關節模組，基于此，本文將針對集成耐輻射關節模組進行研究。

1 關節模組結構設計

1.1 關節模組組成

關節模組是將力矩電機、減速機、電機驅動器以及反饋編碼器等多個零散的運動控制傳動組件集成于一體的動力輸出部件。在常規環境下關節模組設計無需考慮其耐輻射性能，但是針對適用特種機器人的關節模組，在不影響機械、電氣性能的前提下，需篩選出耐輻射性能高的部件進行特殊設計。

（1）電機。關節模組本質上是一個力矩致動器，必須要有動力源，相比較一些使用液壓或氣壓做動力源的關節模組，電機的可調性能更加優越，技術成熟度高[9]。目前，機器人關節模組常用的電機中直流無刷電機體積小、力矩大、不存在電刷換向、對環境的要求更低，可適用于一些輻射環境。為了節省關節模組空間，減少受輻射面積，無刷電機采用外轉子、空心軸設計。

（2）減速機。電機運行在高轉速低轉矩時具有較大的功率密度，可以減小電機體積從而降低關節模組的整體重量，所以在模組中需要增加減速機，以實現電機在高轉速運行的同時也能大扭矩輸出。常用的減速機有齒輪減速機、蝸桿減速機和行星減速機等，其中行星減速機相比前兩者精度高、體積小、質量輕，同時具有較大的減速比，能輸出更大的扭矩，使用壽命長，更適用于核輻射環境。

（3）編碼器。編碼器用于電機運行時轉子位置和轉角信息的收集，常用的編碼器有光電編碼器、旋轉變壓器和磁電編碼器等。光電編碼器直接輸出數字信號，電路簡單，但編碼器中的光柵輪不具備抗輻射能力；旋轉變壓器其實是一種測量旋轉物體轉軸角位移和角速度的小型交流電機，具有一定的耐輻射能力，但需要額外的電子裝置進行信號處理和記錄旋轉的圈數，操作比較復雜；磁電編碼器利用磁場變化來提供轉子絕對位置，代替傳統碼盤，相比前兩者更耐腐蝕、耐輻射、穩定性能高[10]。

（4）驅動器。驅動器作為關節模組的核心部件，是電機平穩升降速的關鍵，不同的電機對應不同的驅動器，大多數電機驅動器由主控電路、前置驅動電路、驅動電路和反饋電路組成。驅動器是整個關節模組中最容易受到輻射損傷的部件，需要對其進行一系列耐輻射設計加固。

1.2 一體化關節模組

使用SolidWorks 軟件將電機、減速機、編碼器反饋、電機驅動器等部件通過軸承、連接件等緊密排布，如圖1 所示，行星減速機與無框電機相連，增大關節模組輸出扭矩，驅動器放置在模組尾部，由耐輻射材料構成的屏蔽體進行輻射防護，屏蔽體內置相變材料吸收驅動器工作所產生的熱量。

圖1 關節模組結構三維圖Fig.1 Three-dimensional diagram of joint module structure

2 關節模組輻射屏蔽加固

2.1 耐輻射驅動器設計

電機驅動器是關節模組控制核心，一旦出現任何信號偏差，都將導致機器人失去運動能力而無法執行任務。由于電機驅動器由大量電子器件構成，在核環境下，由輻射引起的表面效應會導致一些耐輻射性能差的半導體器件鈍化層發生電離和缺陷，內部電荷激發、電荷輸運等永久失效，有時還會出現不受控制的充放電、閉鎖等瞬態效應。對驅動器實施針對性的抗輻射加固，使其具備輻射環境下正常工作能力，是首先要解決的問題。

2.1.1 驅動器電子器件輻射性能篩選

不同的電子器件因制造工藝或材料不同，其耐輻射性能會有很大差別。常用的電阻、電容等元器件耐輻射能力強，在核環境下幾乎沒有影響，而半導體器件中的集成電路由晶體管組成，主要有雙極型、結型和MOS 型這3 類，前兩者的耐輻射能力要比MOS 型強一些，但應用最廣泛的是MOS 型晶體管集成電路，隨著對GaN 基材料研究的深入與工藝水平提高，部分 MOS 型集成電路耐輻照能力得到很大提高，已經可以應用于宇航、軍工、核設施建設中[11]。所以在電路設計時，優先選擇GaN 基材料的半導體器件。表1 列出了篩選后所采用的主要電子元件的制造工藝、具體功能及輻射損傷劑量。從表中可見主控芯片相比其他器件耐輻射性能較低，在設計時仍需對芯片部分進行特殊輻射加固。

表1 驅動器電子器件工藝及耐輻射性能Tab.1 Drive electronics process and radiation resistance

2.1.2 驅動器電路耐輻射設計

本文在對電子元器件耐輻射性能篩選后，驅動器電路設計過程中也采取了耐輻射措施，考慮到大部分前驅電路使用集成度較高的數字電路，在長時間的輻射環境下很容易引起晶體管的導通電壓失準，因此在主控電路與三相全橋驅動電路之間加入耐強輻射的高頻隔離變壓器，但在低占空比情況下，高頻隔離變壓器又很難工作，就會導致電機在低速情況下無法運行，此時加入模擬電子搭建的電路，如圖2 所示，通過開關電路進行狀態切換。因電子器件在不提供工作電壓、不帶偏置時抗輻射性能要優于提供工作電壓、帶偏置時的抗輻射性能，因此少數時間使用模擬電子前驅電路，大部分情況使用高頻隔離變壓器，可以極大程度提高驅動器整體的耐輻射性能。

圖2 電機驅動器抗輻射加固后框架圖Fig.2 Frame diagram of motor drive after radiation reinforcement

在對驅動器進行電路板設計過程中，為減少驅動器受輻射面積，應盡可能縮小驅動板整體面積，采用元器件雙面布局方案。為了減小后期驅動器屏蔽體體積，提高屏蔽性能，采用一種立體空間式電路板設計方法，依據器件耐輻射能力大小由外向內布局，將耐輻射能力最差的主控芯片獨立出來增大輻射加固程度。遵循這種特殊設計原理，通過多次布局嘗試，設計出如圖3 所示驅動器電路板，尺寸為下層直徑4 cm，上層直徑2 cm，高1.5 cm。

圖3 驅動器抗輻射加固后三維圖Fig.3 Three-dimensional diagram of the driver after radiation hardening

2.2 驅動器屏蔽體設計

為了使驅動器能達到輻射環境使用要求，除了對電子元件重新篩選及驅動電路特殊設計布局以外，也需要增加屏蔽體。在設計屏蔽體時，在達標情況下，盡量使屏蔽體的質量和體積更小，同時也要考慮屏蔽材料的價格。對于核環境中的γ射線屏蔽，大多數采用具有較大質核比和核外多電子層結構的重金屬，因其對射線的吸收和消散效果較好，比如鎢、鉛、鐵、鎳合金等，為了進一步探究和比較這些材料的屏蔽性能，本文采用MCNP 程序對材料的屏蔽性能進行模擬比較。

2.2.1 不同材料屏蔽性能研究

材料的屏蔽性能取決于其線性吸收系數，可通過式（1）進行計算。

式中：I0、I——穿過材料前后的射線透過率；μ——材料線性吸收系數，cm-1；μm——材料質量吸收系數，cm2/g；x——材料吸收厚度，cm；xm——材料質量厚度，g/cm2。

由式（1）可得ln（I0/I）-x呈線性相關。由表達式建立MCNP 仿真模型如圖4 所示。實驗采用單能、窄束光子，同一方向垂直入射20 cm×20 cm的長方形屏蔽材料。據研究，核事故產生的γ射線能量范圍在0～1.48 MeV[12]，所以本文采用0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 MeV 分別作為入射γ射線強度。

圖4 MNCP 仿真模型Fig.4 MNCP simulation model

通過MCNP-4C 的F1 計數卡模擬出γ射線穿過不同屏蔽材料后的出射粒子，并進行歸一化計數，計算得出不同能量下線性吸收系數，由圖5 可見，鎢的線性吸收系數最大，其次是鉛，而鐵和鎳合金的線性吸收系數較小，相對來說屏蔽性能較差。所以可選擇鎢或鉛作為屏蔽材料。

圖5 不同γ 能量下屏蔽材料線性吸收系數Fig.5 Linear absorption coefficient of shielding materials at different γ energies

對于驅動器屏蔽體，在考慮屏蔽性能的同時，也需要考慮屏蔽體的質量，過大的“死重”會影響關節模組以及機器人的工作效率。根據各種屏蔽材料密度，由式（2）計算屏蔽材料的質量吸收系數，由圖6 可以看出，鉛的質量吸收系數大于鎢，所以單位質量的鉛屏蔽效果要好于鎢。

圖6 不同γ 能量下屏蔽材料質量吸收系數Fig.6 Mass absorption coefficient of shielding materials under different γ energy

式中：ρ——材料的密度。

2.2.2 屏蔽體模型

根據4 種屏蔽材料的線性吸收系數和質量吸收系數，綜合考慮價格后選取鉛作為關節模組驅動器屏蔽材料。由驅動器形狀設計出屏蔽體三維圖，如圖7 所示，將最容易受輻射損傷的芯片放置內部，增加芯片屏蔽層厚度。

圖7 驅動器屏蔽體三維圖Fig.7 Three-dimensional diagram of driver shield

基于MNCP 建立不同厚度的屏蔽體模型，通過計算屏蔽體內外通量，得出屏蔽體輻射屏蔽能力，仿真實驗結果如表2 所示。當屏蔽體壁厚1 cm，直徑6 cm，芯片屏蔽側面和頂部厚度均為2 cm 時，屏蔽效果達到83.51%，基本符合輻射要求。屏蔽體厚度增大，屏蔽效果越好，但屏蔽體體積倍增，質量增加，則影響關節模組整體性能。

表2 不同厚度屏蔽體耐輻射性能仿真測試Tab.2 Simulation test of radiation resistance performance of different-thickness shielding body

2.3 其它部件耐輻射性能

關節模組系統除了電機驅動器需要特殊耐輻射設計之外，模組引出線纜、軸承潤滑脂等也需要考慮其耐輻射能力，需更換為相對耐輻射性能高的器件，以延長關節模組在核環境下的生存時間。

（1）電纜。關節模組中常用到的引出線纜，一般絕緣層由聚合物組成，在核環境下極易碎裂失效，影響電氣性能，甚至出現短路。經輻照測試后選取耐輻射性更優的 PEEK(聚醚醚酮)絕緣線纜，在γ輻照劑量達到11 MGy 后仍具有良好的電氣性能，如圖8 所示。

圖8 模組線纜更換前后對比圖Fig.8 Comparison before and after module cable replacement

（2）軸承。軸承是關節模組穩定運行必不可少的器件，潤滑脂作為軸承的潤滑介質，在核環境下極易老化失效，從而導致軸承鋼珠與內外圈之間產生干摩擦，造成軸承損壞，進而影響關節模組控制精度，本文選用自潤滑軸承來解決軸承潤滑脂帶來的輻射影響[13]，如圖9 所示。

圖9 模組軸承更換前后對比圖Fig.9 Comparison before and after module bearing replacement

3 實驗測試

輻照實驗地點在海軍軍醫大學（第二軍醫院大學）海軍醫學系輻照中心，實驗環境如圖10 所示，在Co60 源輻射下，對普通關節模組和經過輻射防護后的關節模組進行輻照實驗，輻射劑量率為60 Gy/h，輻照時長為10 h，輻照后對關節模組進行基本電學測試，測試平臺如圖11 所示。測試結果如表3 所示。

表3 普通關節模組與耐輻射關節模組輻射測試Tab.3 Radiation test for common joint module and radiation-resistant joint module

圖10 輻照實驗環境Fig.10 Irradiation experiment environment

圖11 關節模組參數測試平臺Fig.11 Joint module parameter test platform

由于普通關節模組未采取防輻射措施，經輻照后模組引出電纜裂解，驅動器被輻射損壞，連接不到主控芯片，無法進行測試；經過耐輻射設計后的關節模組，其各項基本參數無明顯的變化，關節模組仍然可以長時間運行，說明經過防護后的關節模組具備耐輻射能力。

4 結論

本文設計了一種可應用于核環境的耐輻射關節模組，通過對關節模組中易受輻射損傷的驅動器電子器件進行耐輻射性能篩選，剔除易受輻射損傷的器件，對驅動器電路及PCB 進行設計改進，增大關節模組驅動器耐輻射性能?；贛NCP 程序對關節模組驅動器屏蔽體材料進行模擬仿真，結合屏蔽性能和屏蔽體重量及價格等因素，選取鉛作為屏蔽材料。對驅動器屏蔽體進行仿真實驗測試，屏蔽效果達到80%以上。在核輻射源下對輻射加固后的關節模組與普通模組進行輻照實驗，結果表明改進后的關節模組抵抗600 Gy 的輻射劑量后仍能正常運行。目前只進行了輻射環境下靜態測試，后期會搭建輻射環境下關節模組動態性能測試平臺，進一步探究關節模組耐輻射能力。